Наблюдаемые спектральные признаки и вероятные механизмы образования оптически тонкой и толстой пылевой экзосферы активных астероидов

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Обнаружение и изучение спектральных признаков сублимационно-пылевой активности (СПА) двадцати астероидов примитивных типов Главного пояса, наблюдаемых в видимом диапазоне, позволило нам установить ее временный (или периодический) характер. СПА астероидов проявляет себя с относительно низкой интенсивностью преимущественно вблизи их минимальных гелиоцентрических расстояний и, соответственно, при их наиболее высоких подсолнечных температурах (т. е. вблизи абсолютного максимума поверхностной температуры астероида в центре его освещенного полушария). С высокой вероятностью основной причиной СПА этих астероидов является наличие льда Н2О в их недрах, который оказывается вскрытым благодаря недавним ударным событиям. Как следует из численного моделирования спектров отражения рассматриваемых активных астероидов, окружающая эти тела оптически тонкая пылевая экзосфера (ПЭ), обусловленная СПА, состоит из субмикронных однородных частиц разного состава и/или фракталоподобных агрегатов таких частиц. С учетом крайне слабого гравитационного поля астероидов (особенно при их размерах менее ~10 км), неспособного удерживать такую оптически-тонкую ПЭ даже непродолжительное время, мы пришли к выводу о том, что ПЭ активных астероидов примитивных типов поддерживается совместной работой двух механизмов: электростатическое поле фотоэмиссионной природы создает плазменно-пылевой слой на подсолнечной стороне астероида (как и всех безатмосферных небесных тел), а СПА обеспечивает дополнительный выброс пылевых частиц с поверхности в этот слой до обнаружимого уровня; при этом собственное вращение тела способствует их распределению вокруг астероида.

Full Text

Restricted Access

About the authors

В. В. Бусарев

МГУ им. М.В. Ломоносова, Астрономический ин-т им. П.К. Штернберга (ГАИШ МГУ); Институт астрономии РАН (ИНАСАН)

Author for correspondence.
Email: busarev@sai.msu.ru
Russian Federation, Москва; Москва

Е. В. Петрова

Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН)

Email: busarev@sai.msu.ru
Russian Federation, Москва

В. Б. Пузин

Институт астрономии РАН (ИНАСАН)

Email: busarev@sai.msu.ru
Russian Federation, Москва

С. И. Барабанов

Институт астрономии РАН (ИНАСАН)

Email: busarev@sai.msu.ru
Russian Federation, Москва

М. П. Щербина

МГУ им. М.В. Ломоносова, Астрономический ин-т им. П.К. Штернберга (ГАИШ МГУ); Институт астрономии РАН (ИНАСАН)

Email: busarev@sai.msu.ru
Russian Federation, Москва; Москва

С. Ю. Кузнецов

МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: busarev@sai.msu.ru

факультет космических исследований

Russian Federation, Москва

References

  1. Борисов Н.Д., Захаров А.В. Электризация и движение пыли вблизи поверхности астероида // Астрон. вестн. 2014. Т. 48. № 1. С. 24–34. (Borisov N.D., Zakharov A.V. Electrostatic charging and motion of dust near the surface of an asteroid // Sol. Syst. Res. 2014. V. 48. № 1. P. 22–32).
  2. Бусарев В.В. Спектрофотометрия безатмосферных тел Солнечной системы // Астрономический вестник. 1999. Т. 33. С. 140–150. (Busarev V.V. Spectrophotometry of atmosphereless celestial bodies of the solar system // Sol. Syst. Res. 1999. V. 33. P. 120–129).
  3. Бусарев В.В. Гидратированные силикаты на астероидах M-, S- и E-типов как возможные следы столкновений с телами из зоны роста Юпитера // Астрон. вестн. 2002. Т. 36. № 1. С. 39–47. (Busarev V.V. Hydrated silicates on asteroids of M-, S-, and E- types as possible traces of collisions with bodies of the Jupiter growth zone // Sol. Syst. Res. 2002. V. 36. № 1. P. 39–47).
  4. Бусарев В.В. Спектральные исследования астероидов 21 Лютеция и 4 Веста как объектов космических миссий // Астрон. вестн. 2010. Т. 44. № 6. С. 539–551. (Busarev V.V. Spectral investigations of asteroids 21 Lutetia and 4 Vesta as objects of space missions // Sol. Syst. Res. 2010. V. 44. № 6. P. 507–519).
  5. Бусарев В.В. Новые спектры отражения 40 астероидов: сравнение с предшествующими результатами и интерпретация // Астрон. вестн. 2016. Т. 50. № 1. С. 15–26. (Busarev V.V. New reflectance spectra of 40 asteroids: A comparison with previous results and interpretation // Sol. Syst. Res. 2016. V. 50. № 1. P. 13–23).
  6. Бусарев В.В., Барабанов С.И., Пузин В.Б. Оценка состава вещества и обнаружение сублимационной активности астероидов 145 Адеоны, 704 Интерамнии, 779 Нины и 1474 Бейры // Астрон. вестн. 2016. Т. 50. № 4. С. 300–312. (Busarev V.V., Barabanov S.I., Puzin V.B. Material composition assessment and discovering sublimation activity on asteroids 145 Adeona, 704 Interamnia, 779 Nina, and 1474 Beira // Sol. Syst. Res. 2016. V. 50. № 4. P. 281–293).
  7. Бусарев В.В., Щербина М.П., Барабанов С.И., Ирсмамбетова Т.Р., Кохирова Г.И., Хамроев У.Х., Хамитов И.М., Бикмаев И.Ф., Гумеров Р.И., Иртуганов Э.Н., Мельников С.С. Подтверждение сублимационной активности примитивных астероидов Главного пояса 779 Нины, 704 Интерамнии и 145 Адеоны и ее вероятные спектральные признаки у 51 Немаузы и 65 Цибелы // Астрон. вестн. 2019. Т. 53. № 4. С. 273–290. (Busarev V.V., Shcherbina M.P., Barabanov S.I., Irsmambetova T.R., Kokhirova G.I., Khamroev U.Kh., Khamitov I.M., Bikmaev I.F., Gumerov R.I., Irtuganov E.N., Mel’nikov S.S. Confirmation of the sublimation activity of the primitive Main-belt asteroids 779 Nina, 704 Interamnia, and 145 Adeona, as well as its probable spectral signs on 51 Nemausa and 65 Cybele // Sol. Syst. Res. 2019. V. 53. № 4. P. 261–77).
  8. Бусарев В.В., Савелова А.А., Щербина М.П., Барабанов C.И. Спектральные признаки одновременной сублимационной активности и появления пылевой экзосферы у 8 астероидов Главного пояса вблизи перигелия // Астрон. вестн. 2022. Т. 56. № 2. С. 92–108. (Busarev V.V., Savelova A.A., Shcherbina M.P., Barabanov S.I. Spectral signs of simultaneous sublimation activity and the appearance of a dust exosphere on eight asteroids of the Main belt near perihelion // Sol. Syst. Res. 2022. V. 56. № . 2. P. 84–99).
  9. Бусарев В.B., Петрова Е.В., Щербина М.П., Кузнецов С.Ю., Бурлак М.А., Иконникова Н.П., Савелова А.А., Белинский А.А. Поиск признаков сублимационно-пылевой активности астероидов примитивных типов вблизи перигелия // Астрон. вестн. 2023. Т. 57. № 5. С. 439–457. (Busarev V.V., Petrova E.V., Shcherbina M.P., Kuznetsov S. Yu., Burlak M.A., Ikonnikova N.P., Savelova A.A., Belinskii A.A. Search for signs of sublimation-driven dust activity of primitive-type asteroids near perihelion // Sol. Syst. Res. 2023. V. 57. № 5. P. 449–466).
  10. Петрова Е.В., Бусарев В.В. О возможностях оценки свойств частиц в экзосфере активного астероида по деталям в УФ- и видимом диапазонах спектров отражения // Астрон. вестн. 2023. Т. 57. № 2. С. 166–180. (Petrova E.V., Busarev V.V. On the prospects for estimating the properties of particles in an active asteroid exosphere by features in the UV and visible reflectance spectra // Sol. Syst. Res. 2023. V. 57. № 2. P. 161–174).
  11. Шустов Б.М., Золотарёв Р.В., Бусарев В.В., Щербина М.П. Ударные события как возможный механизм активации сублимационно-пылевой активности астероидов Главного пояса // Астрон. журн. 2022. Т. 99. № 11. С. 1058–1071.
  12. Berg O.E., Wolf H., Rhee J. Lunar Soil Movement Registered by the Apollo 17 Cosmic Dust Experiment // International Astronomical Union Colloquium. Cambridge University Press, 1976. V. 31. P. 233–237.
  13. Busarev V.V. A hypothesis on the origin of C-type asteroids and carbonaceous chondrites // Asteroids, Comets, Meteors (ACM) 2012. Proc. Conf. May 16–20. 2012. Niigata, Japan. LPI Contrib. № 1667. id. 6017.
  14. https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1211/1211.3042.pdf
  15. Busarev V.V., Barabanov S.I., Rusakov V.S., Puzin V.B., Kravtsov V.V. Spectrophotometry of (32) Pomona, (145) Adeona, (704) Interamnia, (779) Nina, (330825) 2008 ХЕ3, and 2012 QG42 and laboratory study of possible analog samples // Icarus. 2015. V. 262. P. 44–57.
  16. Busarev V.V., Makalkin A.B., Vilas F., Barabanov S.I., Scherbina M.P. New candidates for active asteroids: Main-belt (145) Adeona, (704) Interamnia, (779) Nina, (1474) Beira, and near-Earth (162,173) Ryugu // Icarus. 2018. V. 304. P. 83–94.
  17. Busarev V.V., Golubeva L.F., Petrova E.V., Shestopalov D.I. Variability of the reflectance spectra of (1) Ceres and solar activity // The Eleventh Moscow Solar System Symposium (11MS3) 5–9 October 2020, Space Research Inst., Abstract # 11MS3-SB-09, P. 255–258.
  18. Busarev V.V., Petrova E.V., Irsmambetova T.R., Shcherbina M.P., Barabanov S.I. Simultaneous sublimation activity of primitive asteroids including (24) Themis and (449) Hamburga: Spectral signs of an exosphere and the solar activity impact // Icarus. 2021a. V. 369. id. 114634 (18 p.).
  19. Busarev V.V., Petrova E.V., Shcherbina M.P., Ikonnikova N.P., Burlak M.A., Belinski A.A. Interstellar comet 2I/Borisov: Dust composition from multiband photometry and modeling // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2021b. V. 502. № 2. P. 1882–1894.
  20. Criswell D.R. Lunar dust motion // Proc. 3rd Lunar Sci. Conf. (Suppl. 3, Geochim. et Cosmochim. Acta). 1972. V. 3. P. 2671–2680.
  21. Colwell J.E., Gulbis A.A., Horányi M., Robertson S. Dust transport in photoelectron layers and the formation of dust ponds on Eros // Icarus. 2005. V. 175. P. 159–169.
  22. Dorschner J., Begemann B., Henning T., Jaeger C., Mutschke H. Steps toward interstellar silicate mineralogy. II. Study of Mg-Fe-silicate glasses of variable composition // Astron. and Astrophys. 1995. V. 300. P. 503–520.
  23. Hartzell C.M. Dynamics of 2D electrostatic dust levitation at asteroids // Icarus. 2019. V. 333. P. 234–242.
  24. Hsieh H.H., Jewitt D.A. Population of comets in the Main asteroid belt // Science. 2006. V. 312. P. 561–563.
  25. Hsieh H.H., Haghighipour N. Potential Jupiter-family comet contamination of the Main asteroid belt // Icarus. 2016. V. 277. P. 19–38.
  26. Hsieh H.H., Micheli M., Kelley M.S.P., Knight M.M., Moskovitz N.A., Pittichová J., Sheppard S.S., Thirouin A., Trujill C.A., Wainscoat R.J., Weryk R.J., Ye Q. Observational characterization of Main-belt comet and candidate Main-belt comet nuclei // Planet. Sci. J. 2023. V. 4. id. 43 (22 p.).
  27. Jewitt D. The active asteroids // Astron. J. 2012. V. 143. id. 66 (14 p.).
  28. Jewitt D., Hsieh H.H. The asteroid-comet continuum //Comets III / Eds: Meech K., Combi M. Univ. Arizona Press, 2022. (35 p.). arXiv preprint arXiv:2203.01397.
  29. Kelley M.S., Hsieh H.H., Bodewits D., Saki M., Villanueva G.L., Milam S.N., Hammel H.B. Spectroscopic identification of water emission from a Main-belt comet // Nature. 2023. V. 619. P. 720–723.
  30. Lee P. Dust levitation on asteroids // Icarus. 1996. V. 124. P. 181–194.
  31. Li A., Greenberg J.M. A unified model of interstellar dust // Astron. and Astrophys. 1997. V. 232. P. 566–584.
  32. Matthews L.S., Hyde T.W. Effect of dipole–dipole charge interactions on dust coagulation // New J. Phys. 2009. V. 11. id. 063030 (17 p.).
  33. Matthews L.S., Shotorban B., Hyde T.W. Cosmic dust aggregation with stochastic charging // Astrophys. J. 2013. V. 776. id. 103 (9 p.).
  34. Matthews L.S., Shotorban B., Hyde T.W. Discrete stochastic charging of aggregate grains // Phys. Rev. 2018. V. E97. id. 053207 (11 p.).
  35. Mendis D.A., Rosenberg M. Cosmic dusty plasma // Annu. Rev. Astron. and Astrophys. 1994. V. 32. P. 419–463.
  36. Nitter T., Havnes O. Dynamics of dust in a plasma sheath and injection of dust into the plasma sheath above Moon and asteroidal surfaces // Earth, Moon and Planets. 1992. V. 56. P. 7–34.
  37. Orger N.C., Toyoda K., Masui H., Cho M. Experimental investigation on particle size and launch angle distribution of lofted dust particles by electrostatic forces // Advances in Space Research. 2021. V. 68. P. 1568–1581.
  38. Popel S.I., Zelenyi L.M., Atamaniuk B. Dusty plasma sheath-like structure in the region of lunar terminator // Phys. Plasmas. 2015. V. 22. id. 123701 (8 p.).
  39. Poppe A.R., Piquette M., Likhanskii A., Horányi M. The effect of surface topography on the lunar photoelectron sheath and electrostatic dust transport // Icarus. 2012. V. 221. P. 135–146.
  40. Poppe A.R., Zimmerman M.I., Halekas J.S., Farrell W.M. The electrostatic plasma environment of a small airless body under non-aligned plasma flow and UV conditions // Planet. and Space Sci. 2015. V. 119. P. 111–120.
  41. Pravec P., Harris A.W., Michalowski T. Asteroid rotations // Asteroids III / Eds: Bottke W. et al. Tucson: Univ. Arizona Press, 2002. P. 113–122.
  42. Rennilson J.J., Criswell D.R. Surveyor observations of Lunar horizon-glow // Moon. 1974. V. 10. P. 121–142.
  43. Schläppi B., Altwegg K., Wurz P. Asteroid exosphere: A simulation for the ROSETTA flyby targets (2867) Steins and (21) Lutetia // Icarus. 2008. V. 195. P. 674–685.
  44. Schorghofer N. The lifetime of ice on main belt asteroids // Astrophys. J. 2008. V. 682. P. 697–705.
  45. Schorghofer N. Predictions of depth-to-ice on asteroids based on an asynchronous model of temperature, impact stirring, and ice loss // Icarus. 2016. V. 276. P. 88–95.
  46. Schorghofer N., Mazarico E., Platz T., Preusker F., Schröder S.E., Raymond C.A., Russell C.T. The permanently shadowed regions of dwarf planet Ceres // Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43. P. 6783–6788.
  47. Singer S.F., Walker E.H. Photoelectric screening of bodies in interplanetary space // Icarus. 1962. V. 1. P. 7–12.
  48. Sykes M.V., Greenberg R., Dermott S.F., Nicholson P.D., Burns J.A. Dust bands in the asteroid belt // Asteroids II / Eds: Binzel R.P., Gehrels T., Mattews M.S. Tucson: Univ. Arizona Press, 1989. P. 336–367.
  49. Tholen D.J. Asteroid taxonomic classifications // Asteroids II / Eds: Binzel R.P., Gehrels T., Mattews M.S. Tucson: Univ. Arizona Press, 1989. P. 1139–1150.
  50. Tholen D.J., Barucci M.A. Asteroid taxonomy // Asteroids II / Eds: Binzel R.P., Gehrels T., Mattews M.S. Tucson: Univ. Arizona Press, 1989. P. 298–315.
  51. Veeder G.J., Tedesco E.F. Results from the IRAS Minor Planet Survey // IRAS Minor Planet Survey. Final Report PL-TR-92–2049 / Eds: Tedesco E.F., et al. Massachusetts: Phillips Laboratory, 1992. P. 107–126.
  52. Warren S.G., Brandt R.E. Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave: a revised compilation // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. id. D14220.
  53. West R., Lavvas P., Anderson C., Imanaka H. Titan’s haze // Titan: interior, surface, atmosphere, and space environment / Eds: Müller-Wodarg I., Griffith C.A., Lellouch E., Cravens T.E. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2014. P. 285–321.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Normalized (at a wavelength of 0.55 microns) reflection spectra obtained in 2012 in the active state of asteroids (multicolored curves) and spectra of these asteroids in the inactive state (black curves from the SMASSII database): (a) – 145 Adeons (C or Ch); (b) – 704 Interamnia (F or B); (c) – 779 Nina (X); (d) – 1474 Beira (FX or B) (Busarev et al., 2016). The spectral classification of asteroids according to Tholen (1989) or according to the SMASSII database is indicated in parentheses (https://ssd.jpl.nasa.gov/tools/sbdb_lookup.html ).

Download (420KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Normalized (at a wavelength of 0.55 microns) approximated asteroid reflection spectra: (a) – 145 Adeona; (b) – 302 Clarissa; (c) – 322 Feo; (d) – 435 Ella; (e) – 690 Vratislavia; (e) – 779 Nina (Busarev et al., 2023). Three consecutive reflection spectra of each asteroid are depicted in different colors. To control the stability of photometric observational conditions, the inserts on each graph also show three consecutive spectra normalized at a wavelength of 0.55 microns (almost identical due to good observational conditions) of control non-alternating stars from CCD frames shared with asteroids.

Download (603KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Spectral dependences of the refractive index of ice H2O (Ice), astronomical silicates (Sil), olivines (Oli), and refractory organics (OrR): (a) for the real part of the indicator mr; (b) for the imaginary part of the indicator mi. For ice, the mi values are close to zero in this spectral range. The links are given in the text.

Download (123KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Model normalized (at a wavelength of 0.55 microns) reflection spectra of a conditional C-type asteroid at a phase angle α = 10° (the reflection spectrum of an asteroid without an exosphere is shown by the dot line “S_model”). The exosphere contains densely packed aggregate particles (the structure is shown on the right) consisting of 100 monomers of the specified radii r (in microns) and the specified composition. The optical thickness of the exosphere is τ = 0.5.

Download (267KB)
Indexing metadata
6. 5. The same as in Fig. 4, but for an exosphere of different optical thickness (from 0.1 to 6.0) containing aggregate particles consisting of 100 monomers with a radius of 0.1 microns.

Download (259KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. The same as in Fig. 4, but for an exosphere containing submicron homogeneous particles of the specified composition with an effective radius of Ref = 0.1 microns (at veff = 0.1). The optical thickness of the exosphere τ varies from 0.1 to 6.0.

Download (164KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences